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光学 第1章 光の基本的な性質

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(1)

光学

第1章 光の基本的な性質

黒田和男

1

はじめに

われわれは光の中で暮らしている。光について感覚的にはよく知っている はずであるが,物理学の観点から,光とは何であるかという問いに答えるの はそれほど簡単ではない。本章では光とは何であるかとの観点から光の基本 的な性質を述べる。光は,粒子的な性質と波動としての性質の二つの側面を 持つことが知られている。本来,粒子と波動は互いに矛盾する概念である。

この二つの性質を両立させるのが量子という考え方で,量子の振舞いを明ら かにするのが量子力学である。ここでは量子に立ち入ることはしない。粒子 的な立場,波動的な立場から光の性質を考えて行こう。

2

光線

光についてすぐ気付くことは,直進するように見えることである。図

1

は レーザー光線の写真である

*1

。直進する光を一本の直線で表すのは自然なこ

*1 レーザー光線が横から見えるのは,ほこりなど空気中を漂う微粒子によって光が散乱さ れるからである。また,手前でビームが広がって見えるのは,カメラの焦点をレーザー 装置に合わせたので,ピントがボケたためである。

(2)

とである。光が通る軌跡を光線

(ray)

という。光線は,光を「粒子」と見たと きの粒子の通過する軌跡と考えてよいであろう。光源からはいろいろな方向 に光線が出ている。特に一点から出る放射状の光線の集まりを光束

(pencil

of rays)

という。光は宇宙空間のような真空中を伝わることができる。と同

時に,空気や水やガラスなど物質の中を伝わることもできる。光が伝わる媒

体を媒質

(medium)

という。光は一様な媒質中を直進するが,性質の異な

る媒質に出会うと境界面で反射や屈折する。また,不均一な媒質の中では 光線は連続的に曲がる。光線の軌跡を決めるのが媒質の屈折率

(refractive

index)

であり,光学において最も重要な物質定数である。光線や光束の性質

を論じる学問分野が幾何光学

(geometrical optics)

である。幾何光学では,

光線の存在を前提として,その基本的な性質を明らかにする。さまざまな光 学機器は幾何光学の考え方に基づいて設計される。これら幾何光学の詳細は 第

2

章以下で議論する。

図

1

レーザー光線

3

波動

現代物理学では,光は 電磁波

(electromagnetic wave)

の一種であるとい うことが分かっている。電磁波はその波長または周波数により,電波から

(3)

放射線の一種であるガンマー線まで,さまざまに形を変えて存在する。図

2

は,波長

(

単位

m)

および周波数

(

単位

Hz = s − 1 )

による電磁波の分類を表 したものである。その中で,波長がおよそ

0.4 ∼ 0.8µm

の範囲に入るものを 可視光

(visible light)

,それよりも波長が短い光を紫外線

(ultraviolet ray)

, 可視光よりも波長の長い光を赤外線

(infrared ray)

という。実際に眼に感じ る光のスペクトル範囲は個人差があり,短波長限界は

360 ∼ 400 nm

,長波

長限界は

760 ∼ 830 nm

といわれている。紫外線については空気中を通過

できるか否かで波長が約

200 nm

のところに一つの境界がある。これよりも 波長の長い紫外線は大気を透過できるので,地上に降り注ぐ太陽光線の中に 含まれ,日焼けの原因となる。

200 nm

より短い紫外線を真空紫外と呼ぶ。

紫外線は約

10 nm

程度までであるが,短波長になると極端紫外線

(extreme ultraviolet ray)

などとも呼ばれる。波長がさらに短くなると

X

線の領域に 入る。

X

線も長波長の軟

X

線と短波長の硬

X

線に分けられる。一方,約

800 nm

以上が赤外線である。これも,近赤外,中赤外,遠赤外に分類され

るが,境界は必ずしも明確ではない。波長

0.3 mm

の電磁波は周波数が

10 12

Hz = 1 THz

になるので,この近くの電磁波をテラヘルツ波と呼ぶ。光学で

扱うのはこのあたりまでである。さらに,波長が長くなるとマイクロ波から 電波の領域に入る。

波の基本的な性質をまとめておこう。単振動を源として空間を伝わる波を 正弦波

(sinusoidal wave)

または単色波

(monochromatic wave)

という。波 の進む方向を

z

軸にとると,波の振幅

ψ

は

ψ(z, t) = A cos(ωt − kz + ϕ 0 ) = A cos ( 2π

T t − 2π

λ z + ϕ 0

)

(1)

と表される。

図

3

に おいて ,波 を空間 的に表したとき の隣り合う波の頂上 の間隔

λ

を波の波長

(wavelength)

という。波長の基本単位は

m

だが,光学で は

µm (=10 − 6 m)

や,

nm (=10 − 9 m)

が用いられる。

k = 2π/λ

は波数

(4)

(wavenumber)

で,

2π

メートルの間に入る波の数を表す

*2

。波数は波長の 逆数に比例する。

時間軸に目を向けると,図

3

の

T

が振動の周期

(period)

である。1秒間 の振動回数

f = 1/T

を周波数または振動数

(frequency)

という。角周波数

紫外線 可視光線 赤外線

マイクロ波 電波

周波数 

(Hz)

波長 

(m)

X線 γ線

(mm) (μm) (nm)

1 10

−3

10

−6

10

−9

10

9

10

12

10

15

10

18

(GHz) (THz) (PHz) (EHz)

giga tera peta exa

図

2

電磁波の波長による分類

z

t

T

ψ

λ

図

3

単色波

*2 分光学では

σ = k/2π = 1/λ

を波数と呼ぶ。単位は

1 cm

あたりの波数

cm

−1 を用い ることが多い。

(5)

(angular frequency)

は周波数の

2π

倍で与えられる

(ω = 2πf = 2π/T )

。 周波数の単位は

Hz

,角周波数の単位は毎秒ラジアン

(rad/s)

である。

正弦波の式

(1)

を

ψ = A cos ϕ

と書いたとき,

ϕ

を波の位相

(phase)

とい う。

cos ϕ

は周期

2π

の周期関数であるから,位相も

2π

の整数倍だけ異なる ものは同一であると見なす。

ϕ 0

は,原点

(z = 0)

において時刻

t = 0

のとき の位相で,初期位相と呼ばれる。

波は1周期で1波長進むから,1秒間では波長の周波数倍だけ進む,すな わち,波の速度

v

は

v = λf = ω

k (2)

で与えられる。

真空中における光の速度は現代では

c = 299,792,458 m/s

と定義されて いる。数値を丸めて

c = 3

×

10 8 m/s

である。つまり,光は1秒間に真空 中を

30

万

km

進む。地球の円周は

4

万

km

だから,光は1秒間に地球を7 周半走る。真空中の光速度は光の波長や周波数によらず一定である。すなわ ち,X線も可視光も電波もすべて同じ速度で進む。

問題

1

波長

0.6µm

の光の,周波数

(Hz)

と波数

(cm − 1 )

はいくらか。

問題

2

式

(1)

の代わりに,

ψ = A cos(ωt + kz + ϕ 0 )

も正弦波を表す。こ れはどのような波か。

問題

3

太陽から地球までの距離はおよそ

1

億

5000

万

km

である。太陽で 放射された光が地球に届くまでの時間はいくらか。

4

複素表現

波数

k

,角周波数

ω

の単色波の振幅は式

(1)

のように実数で表される。

ところが,実数の代わりに複素数を使うと,計算がずっと楽になる。そ の基本は複素指数関数と三角関数の間の関係式にある。すなわち,複素

(6)

数

z

を実部と虚部に分けて

z = x + iy

としよう。複素数

z

の指数関数は

exp(z) = exp(x + iy) = exp(x) { cos y + i sin y }

という関係を満たす。実数 表現

(1)

に対応する複素数表現を

ψ A (z, t) = Ae i(ωt − kz+ϕ

0

) (3)

と定義する

*3

。こうすると,実数表現

ψ R

は,複素数表現

ψ A

の実部で与え られる

(ψ R = ℜ [ψ A ])

。ただし,記号

ℜ

は実部を取ることを意味する。振幅 を複素数に拡張し,

A ˜ = A exp(iϕ 0 )

をまとめて複素振幅と定義すれば,初 期位相を複素振幅に含ませることができる。

次に波の強度を考察しよう。波の強度

I

は,実数振幅

ψ R

の2乗に比例す る。ところが,

cos

関数の2乗には,2倍の周波数で振動する成分が含まれ る。この部分は振動の周期にわたって時間平均すると消える。よって,強度 と振幅の関係は次のように表される。

I ∝ ⟨ ψ 2 R ⟩

= 1 T

∫ T 0

A 2 cos 2 (ωt − kz + ϕ 0 )dt = 1

2 A 2 = 1

2 | ψ A | 2 (4)

ただし,かぎ括弧は振動周期

T

にわたり時間平均を取ることを意味する。多 くの場合,上式の係数

1/2

を省略して,波の強度を複素振幅の絶対値の2乗

I = | ψ A | 2

に等しいとする

*4

。

5

3次元の波

空間は3次元であるから,実際の問題に対しては3次元の波を考察し なくてはならない。1次元の単色波を3次元に拡張したのが単色平面波

(harmonic plane wave)

である。平面波とは時間を止めたとき,波面

(wave

*3 式

(3)

では,複素指数関数の指数に正符号をつけた。この代わりに

ψ

A

= A exp[ − i(ωt − kz + ϕ

0

)]

とする光学の教科書も多数ある

*4 光は電磁波であり,振幅

ψ

に相当するのは,光の電場である。このときの光の強度

(

単 位断面積を単位時間に通過する光のエネルギー

)

は,付録の式

(22)

で与えられる。

(7)

front)

すなわち位相の等しい面が平面であるような波である。波の進む方向 を表す単位ベクトルを

t = (L, M, N )

としよう。単位ベクトルであるから

L 2 + M 2 + N 2 = 1

を満たす。図

4

に示す通り,ベクトル

t

が

xyz

軸と成 す角度を

ξ

,

η

,

θ

とすると

L = cos ξ

,

M = cos η

,

N = cos θ

と書ける。こ のため

L

,

M

,

N

を方向余弦

(directional cosine)

という。また,図

4

に示 した極座標表示では,

L = sin θ cos ϕ

,

M = sin θ sin ϕ

,

N = cos θ

である。

波面はベクトル

t

に直交するから,波面の点をベクトルで

r

とすると,ある 特定の波面上の点は

t · r = const.

を満たす。よって,平面波を表す複素振 幅は,1次元の波の複素表示

(3)

の自然な拡張で

ψ(x, y, z, t) = Ae i(ωt − k

1

x − k

2

y − k

3

z+ϕ

0

) = Ae i(ωt − k · r+ϕ

0

) (5)

と書ける。ただし

k = 2π

λ t = 2π

λ (L, M, N ) (6)

である。ベクトル

k

を波動ベクトル

(wave vector)

という。角周波数

ω

の 一般的な波は,いろいろな方向に向いた平面波の重ね合わせで表される。こ れは一般的に

ψ(x, y, z, t) = u(x, y, z)e iωt (7)

と書ける。このように単色波に対し,空間部分と時間部分を分離して書くこ とができるのが,複素表示の一つの大きな長所である。

6

屈折率

幾何光学においても波動光学においても,光の伝搬を決めるのは媒質の屈 折率

(refractive index)

である。屈折率

n

は,真空中の光速度

c

と媒質中の 光速度

v

の比で定義される。

n = c

v (8)

通常の媒質の光速度は真空中の光速度より小さい。したがって,屈折率は

1

より大きな値を取る。表

1

に,いくつかの媒質の屈折率を挙げた。屈折

(8)

*

+

,

-

. /

0 1

図

4

波面法線方向と極座標表示

率は光の波長あるいは周波数によって変化する。このことを屈折率の分散

(dispersion)

という。プリズムで白色光をスペクトルに分解できるのは,屈

折率に分散があるからである。図

5

は,いろいろな光学材料の屈折率の周 波数依存性を図示したものである。ただし,横軸は光の波長で,対数目盛り でプロットしてある。この図から分かる通り,光の波長が短いほど,すなわ ち,周波数が高いほど物質の屈折率は大きくなる。このため,プリズムを通 すと,波長の短い光ほど大きく曲げられる。

表

1

屈折率

媒質 空気 水 ガラス プラスチック 屈折率

1.00027 1.33 1.5 ∼ 2 1.5 ∼ 1.6

図

5

を見ると,屈折率は波長の短いところで急速に増加し,そこで曲線が 途絶える。逆に,波長の長い方は屈折率が急に減少し,そこでやはり曲線は 途絶える。これは,それぞれ,紫外線領域,赤外線領域に強い吸収があるこ とが原因である。吸収の大きい波長領域でも,屈折率を定義できるが,屈折

(9)

図

5

いろいろな光学材料の屈折率の波長依存性

率は複素数になる。その実部が屈折率に対応し,虚部が吸収係数になる。図

5

は,吸収の小さい波長領域にのみデータを表示したものである。

屈折率

n

の媒質中を伝搬する光は速度が変化するだけではない。光が真 空から媒質中に入っても,角周波数

ω

は変化しない。したがって,媒質中で 速度が変化したことに対応し,波長が変化する。媒質中の波長を

λ

,真空中

(10)

の波長を

λ 0

とすると

λ = λ 0

n (9)

の関係が成り立つ。媒質中では,波長は屈折率の分だけ縮むことになる。波 数

k

は

k = 2π

λ = 2πn λ 0 = ω

c n (10)

と書ける。すなわち,波数は屈折率の分だけ大きくなる。

最後に,屈折率の値について一言述べておく。真空の屈折率は定義から

n = 1

である。図

5

の縦軸の最小値が

1

である。全ての曲線がその上にあ るから,媒質の屈折率は

1

より大きい。言い換えると,媒質中の光速度は

c

より小さいことになる。では,

n < 1

になることはないのだろうか。実はあ る。

X

線の波長域では,多くの媒質の屈折率が,わずかであるが

1

より小さ くなる。ここでは,光速度は

c

を超えることになる。アインシュタインの相 対性理論によれば,物体の速度は

c

を超えられない

*5

,ことが知られている。

当然,

n < 1

は相対性理論に抵触しないか,という疑問が生じる。屈折率の 定義に現れる速度は,波面が進む速度

(

位相速度という

)

である。水面の波 を思い起こすと,水はそれぞれの位置で上下運動

*6

をしているだけで,水そ のものが波が進む速度で動いているわけではない。すなわち,位相速度は物 体自身の移動速度

(

光では,エネルギーが伝わる速度

)

ではないので,

n < 1

であっても相対性理論の因果律を破らなないのである

*7

。

最近では,さらに値が小さくなって,屈折率が負になる物体が存在する ことが分かっている。負屈折率媒質は

1964

年

(

英訳の出版は

1968

年

)

にロ

*5 物体の速度が

c

を超えると,その物体で生じる事象の過去と未来を入れ替えることが出 来る。これは,因果律

(

結果は原因に先行することはない

)

を破ることになる。

*6 実際には円に近い運動をしている。

*7 筆者はこれを孫悟空効果と名付けた。孫悟空はきん

(

角へんに力

)

斗雲に乗って光より速 く走るが,しかし,お釈迦様の掌=因果律の外に出ることはできない。最近,ニュートリ ノが光速度を超えるという実験結果が報告され話題を呼んだが,実験装置の接続が不完 全であったために雑音が生じたのが原因であったという,実にお粗末な結果に終わった。

(11)

シア

(

当時ソ連

)

の

V. G. Veselago

によって理論的に予測された。その後,

2000

年頃に,英国の

J. B. Pendry

や米国の

D. R. Smith

が,人工構造物で そのような性質の物質を作れることを明らかにした。負屈折率媒質中の光の 伝搬は分かりにくい。

n < 0

ということは,一言で言うと,波が後ろ向きに 進むということである。空気中に置かれた負屈折率媒質に,左から光が入射 したとしよう。負屈折率媒質中でも,光のエネルギーは左から右に進む。と ころが,波の運動を詳しく見ると,波面は右から左に動いているのである。

これが,

n < 0

すなわち位相速度が負の波の伝搬である。負屈折率媒質を使 うと透明マント

*8

が作れることが知られている。

付録

A

電磁波の伝搬

光は電磁波であるから,波の振幅に対応するのは,電場や磁場である。光 の電場を

E

,磁場を

H

とする。これらはベクトル量である。媒質中におけ る電束密度は

D = ϵE

,磁束密度は

B = µH

となる。ただし,

ϵ

は媒質の 誘電率,

µ

は透磁率である。電磁波の伝搬はマクスウェル方程式

(Maxwell

equations)

に従う。マクスウェル方程式は,電磁場の回転に対する方程式

∂H y

∂z − ∂H z

∂y = ∂D x

∂t + J x , ∂E y

∂z − ∂E z

∂y = − ∂B x

∂t

∂H z

∂x − ∂H x

∂z = ∂D y

∂t + J y , ∂E z

∂x − ∂E x

∂z = − ∂B y

∂t (11a)

∂H x

∂y − ∂H y

∂x = ∂D z

∂t + J z , ∂E x

∂y − ∂E y

∂x = − ∂B z

∂t

と,電磁場の発散に対する方程式

∂D x

∂x + ∂D y

∂y + ∂D z

∂z = ρ, ∂B x

∂x + ∂B y

∂y + ∂B z

∂z = 0 (11b)

*8 負屈折率物質からなる円筒状の物体で,そこに入射した光線は,円筒部分を通った後,あ たかも何もなかったかのように,入射光線の延長線上に出射する。円筒の内部は,決し て外から見ることは出来ない。

(12)

からなる。ただし,

J

は電流密度,

ρ

は電荷密度である。電流については,

オームの法則

J = σ E

が成り立つと仮定する。ここで,

σ

は電気伝導度で ある。電流が流れると,ジュール熱が発生する。これは光のエネルギーの一 部が媒質に吸収され,熱に変わる過程を表す。よって,吸収がない透明な媒 質に対しては,電流

J

と電荷密度

ρ

を

0

と置くことができる。

A.1

平面波

透明な媒質

(J = ρ = 0)

中を

z

方向に進む平面波を考えよう。このと き電磁場は,

x

と

y

には依存せず,

z

と

t

の関数になる。また,電磁場の

z

成分は

0

になる

(E z = H z = 0)

。このことを考慮すると

Maxwell

方程式

(11a)

は

ϵ ∂E x

∂t = ∂H y

∂z , ϵ ∂E y

∂t = − ∂H x

∂z µ ∂H y

∂t = ∂E x

∂z , µ ∂H x

∂t = − ∂E y

∂z (12)

となる。これから,

E x , H y

の組と

E y , H x

の組に分けられることがわかる。

これらは独立で,前者は電場は

x

方向を向くので,

x

方向の直線偏光

*9

,後

k E

H

図

6

平面波の電磁場と波動ベクトル

*9 偏光については,

8

章で学ぶ。

(13)

者を

y

方向の直線偏光と呼ぶ。

特に,波動関数が

exp[i(ωt − kz)]

に比例するとき,

E x , H y

の組に対し,

E x = E 0 cos(ωt − kz), H y = H 0 cos(ωt − kz)

とおいて

ωϵE 0 = − kH 0 , ωµH 0 = − kE 0 (13)

が導かれる。図

6

は平面波の電磁場と波動ベクトルの関係を図示したもので ある。波動ベクトル

k

は

z

方向を向き,電場ベクトル

E

は

x

方向を向き,

磁場ベクトル

H

は

y

方向を向く。一般に,平面波では,この3つのベクト ルは互いに直交する。

A.2

波動方程式

方程式

(12)

の第

1

の組で,上の式を

t

で偏微分し,下の式を

z

で偏微分 すると,

H y

を消去することができる。こうして,波動方程式

ϵµ ∂ 2 E y

∂t 2 = ∂ 2 E y

∂z 2 (14)

が導かれる。磁場

H y

も同じ波動方程式を満たす。

A.3

屈折率・インピーダンス・強度

式

(13)

は二つの式からなるが,これが両立するためには

ϵµω 2 = k 2 (15)

の関係が満たされなくてはならない。あるいは,波動方程式

(14)

に,電場 の波動関数

E x = E 0 cos(ωt − kz)

を代入しても,同じ式が得られる。とこ ろが,式

(2)

にある通り,波数

k

と角周波数

ω

の間には

k = ω/v

の関係が ある。よって,光速度

v

と誘電率および透磁率の間に

1

v 2 = ϵµ (16)

(14)

の関係があることが導かれる。特に,真空中では光速度は

c

であるから,真 空の誘電率と透磁率を

ϵ 0

と

µ 0

と置くと

1

c 2 = ϵ 0 µ 0 (17)

が成り立つ。媒質の屈折率

n

は,真空中の光速度と媒質中の光速度の比で定 義されるから

n = c v =

√ ϵµ

ϵ 0 µ 0 = √

ϵ r µ r ≈ √

ϵ r (18)

が得られる。ただし,

ϵ r = ϵ/ϵ 0

と

µ r = µ/µ 0

は比誘電率および比透磁率で ある。ほとんどの光学材料で比透磁率は

1

であるから

(µ r ≈ 1)

,屈折率は 比誘電率の平方根に等しい。

式

(13)

から,電場の大きさと磁場の大きさの比について

E 0 = − ZH 0 (19)

という関係が得られる。ただし,比を表す量

Z =

√ µ

ϵ (20)

はインピーダンスと呼ばれ,抵抗の次元を持つ量である。特に,真空のイン ピーダンスは

Z 0 =

√ µ 0

ϵ 0 = 377 [Ω] (21)

である。

光のパワー(単位断面積を単位時間に通過するエネルギー)はポインティ ングベクトル

(Poynting vector)S = E × H

の時間平均で与えられる。よっ て,平面波の強度

I

は

I = ⟨ S z ⟩ = | E | 2

2Z = 1 2Z 0

n

µ r | E | 2 (22)

(15)

となる。

µ r ≈ 1

であるから,強度は電場の2乗と屈折率に比例する。これ は次のように考えてもよい。光のエネルギー密度は

ϵ | E | 2 = ϵ 0 n 2 | E | 2

に比 例する。強度はこれに速度

v = c/n

を掛ければよい。よって,強度は屈折率 に比例する。

図

図 2 電磁波の波長による分類 z t T ψ λ 図 3 単色波 *2 分光学では σ = k/2π = 1/λ を波数と呼ぶ。単位は 1 cm あたりの波数 cm − 1 を用い ることが多い。
図 5 いろいろな光学材料の屈折率の波長依存性 率は複素数になる。その実部が屈折率に対応し,虚部が吸収係数になる。図 5 は,吸収の小さい波長領域にのみデータを表示したものである。 屈折率 n の媒質中を伝搬する光は速度が変化するだけではない。光が真 空から媒質中に入っても,角周波数 ω は変化しない。したがって,媒質中で 速度が変化したことに対応し,波長が変化する。媒質中の波長を λ ,真空中

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